0.引言

“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法，其包涵了智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流這三大主題。中國(guó)制造2025是國(guó)家實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的行動(dòng)綱領(lǐng),而智能制造又是引領(lǐng)中國(guó)制造走向高端的切人點(diǎn)。因此，這對(duì)與“智能制造”相關(guān)的高校課程教學(xué)改革既秦一個(gè)機(jī)遇和方向,也是一個(gè)挑戰(zhàn)，其中對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革是不可忽視的。機(jī)電一體化系統(tǒng)是一門綜合性、應(yīng)用型很強(qiáng)的課程，它涉及的知識(shí)面廣泛，包括了機(jī)械部分、電氣部分、系統(tǒng)控制部分等，是智能制造中不可或缺的部分，對(duì)培養(yǎng)機(jī)電專業(yè)人才具有重要作用。

目前，購(gòu)買龐大的機(jī)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備是一種不錯(cuò)的理論聯(lián)系實(shí)踐的教學(xué)方法，但資金投入較大,這對(duì)大多數(shù)高校是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。而仿真的引人能夠彌補(bǔ)這方面的缺陷，又能提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。目前國(guó)際上科學(xué)運(yùn)算與計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域首選的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是matlab，與之配套的simulink仿真技術(shù),并且它涵蓋了數(shù)值計(jì)算與分析、信號(hào)處理、圖像處理、通信、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試測(cè)量等眾多領(lǐng)域，為不同的物理系統(tǒng)混合仿真提供了新的有效的解決方案。因此，把matlab/simulink引人機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)改革,并選取合適的案例進(jìn)行教學(xué)，是一種非常不錯(cuò)的解決方法。

1.案例選取

機(jī)電一體化是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱，是一門面向應(yīng)用的技術(shù)，代表了機(jī)械產(chǎn)品的柔性化和智能化發(fā)展方向，因此，案例的選取也體現(xiàn)這一點(diǎn)。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)為機(jī)械制造及自動(dòng)化、機(jī)械電子工程等機(jī)械專業(yè)方向的必修專業(yè)主干課程，并且要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程之前需要進(jìn)行《機(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》?電路》《電力電子技術(shù)》《電機(jī)傳動(dòng)控制》《測(cè)試技術(shù)》《控制工程基礎(chǔ)》《微機(jī)原理》《電氣控制技術(shù)》等先修課程的學(xué)習(xí)。所以，把matlab/simulink仿真引人多學(xué)科融合的、理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)電一體化系統(tǒng)是教學(xué)課程改革中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),需要從課程中合理地選取案例,使之既能反映各部分知識(shí)點(diǎn)又能反映它們之間的系統(tǒng)聯(lián)系。從不同的角度進(jìn)行選取，在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程中滿足條件的案例是有很多的，其中電機(jī)控制作為機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直以來(lái)是一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。本文選取直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制作為案例進(jìn)行分析,涉及《電路》《電力電子技術(shù)》《電機(jī)傳動(dòng)控制》《測(cè)試技術(shù)》《控制工程基礎(chǔ)》《電氣控制技術(shù)》等基礎(chǔ)課程,包含有單相交流電、三相交流電、AC-DC整流、電橋、晶閘管特性、直流電機(jī)機(jī)械特性、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等知識(shí)點(diǎn)。并且，用matlab/simulink仿真技術(shù)把這些知識(shí)點(diǎn)從簡(jiǎn)單到難串聯(lián)起來(lái)，開放建模系統(tǒng)，這將有助于學(xué)生從系統(tǒng)的角度學(xué)習(xí)掌握機(jī)電一體化知識(shí)。

2.案例仿真研究過(guò)程

在引人matlab/simulink的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程仿真教學(xué)設(shè)計(jì)中,仿真思路是先從元器件的性能開始，然后簡(jiǎn)單開環(huán)控制，最后到閉環(huán)控制。這樣使學(xué)生不僅能弄清楚各個(gè)元器件，還能分析整個(gè)系統(tǒng)。下面就是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中典型案例的matlab/simulink仿真建模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。

2.1元器件選取.

在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制仿真典型案例中，所涉及的兀器件模塊有ACVoltageSource、Scope、Sum、Step、Constant、ParallelRLCBranch、DCMachine、CurrentMeasure?ment、VoltageMeasurement、MeanValue、Powergui、PIDControl?ler^Display^Synchronization6-PulseGenerator,Thyristor^Univer?salBridge^PulseGenerator'Terminator等主要模塊。

2.2主要部件測(cè)試分析

為了使學(xué)生不僅能學(xué)到系統(tǒng)知識(shí)，還需要讓學(xué)生知道各個(gè)元器件的知識(shí)點(diǎn)，因此有必要設(shè)計(jì)元器件主要模塊的分析模型。下面設(shè)計(jì)三相交流電、單相交流電整流、三相交流電整流、晶閘管原理模塊、橋式整流模塊，并進(jìn)行必要說(shuō)明，起到從元器件到簡(jiǎn)單系統(tǒng)的過(guò)渡作用。

首先,是使用matlab/simulink搭建的三相交流電電源波形仿真模型及其Scope輸出的仿真波形圖。當(dāng)電源參數(shù)調(diào)整、負(fù)載電阻調(diào)整的時(shí)候，波形圖是符合歐姆定律發(fā)生變化的。如電源的頻率設(shè)置為50Hz時(shí)，根據(jù)公式T=1//，得出周期為0.02So讓學(xué)生充分理解這點(diǎn)，對(duì)后面對(duì)晶閘管觸發(fā)角改變得到不同輸調(diào)整并顯示出來(lái).便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題思考問(wèn)題:

其次，在了解三相交流電的電源波形及其負(fù)載特性之后，應(yīng)該為案例中AC-DC整流關(guān)鍵部件搭建一個(gè)性能仿真平臺(tái)，即晶閘管性能仿真模型:模型中AC峰值設(shè)置為220V,調(diào)整晶閘管的觸發(fā)方波，可以從S?Pe示波中觀測(cè)形圖,.，從波形圖來(lái)看,正好說(shuō)明了晶閘管正常工作時(shí)的4個(gè)特性，即①當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí),不論門極是否有觸發(fā)電流.晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。②當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí),僅在門極有觸發(fā)電流的情況下品閘管才能導(dǎo)通。③晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用,不論門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導(dǎo)通.④若要使已經(jīng)導(dǎo)通的品閘管關(guān)斷,只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流下降接近于零的某一數(shù)值一下。讓學(xué)生了解這點(diǎn)，是至關(guān)重要的，它為后續(xù)的電橋整流、調(diào)壓等提供基礎(chǔ)。

接下來(lái)是了解交流電的晶閘管全橋整流特性，搭建的仿真圖及波形輸出圖,從圖中可以觀測(cè)得到整流后負(fù)載的電壓平均值，這跟使用晶閘管橋式整理的理論公式％=計(jì)算所得結(jié)果是相符合的.同時(shí)可以調(diào)整a大小復(fù)觀測(cè)電壓平均值，思考a的變化與輸出電壓值之間的關(guān)系：也就是說(shuō)，調(diào)整觸發(fā)角a的大小,可以改變負(fù)載得到的電壓有效值,為后面的DCMadiine調(diào)速控制做好準(zhǔn)備。

最后一個(gè)較關(guān)鍵的部件就足直流電機(jī)模型仿真,建立直流電機(jī)的性能仿真模型丨從輸出的Scope波形圖來(lái)看,仿真輸出與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、電磁轉(zhuǎn)矩以及勵(lì)磁電流的理論公式推導(dǎo)輸出是相符合的,這就加深了學(xué)生對(duì)直流電機(jī)公式的理解和熟悉，認(rèn)識(shí)和理解直流電機(jī)的機(jī)械特性，為后續(xù)的直流電機(jī)調(diào)速控制起到至關(guān)重要的作用。

2.3開環(huán)控制測(cè)試分析

在對(duì)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制分析前.應(yīng)該讓學(xué)生了解直流電機(jī)的開環(huán)調(diào)速控制，搭建三相交流的simulink的DCMachine開環(huán)仿真模型。在這個(gè)simulink中有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要學(xué)生弄清楚,如三相交流的自然換相點(diǎn)、晶閘管門極控制的觸發(fā)順序、脈沖觸發(fā)時(shí)間的改變?nèi)绾斡绊戨妷弘娐返妮敵隽?、直流電機(jī)負(fù)載的改變是如何影響電機(jī)輸出速度和輸出力矩、逐一修改每個(gè)參數(shù)對(duì)輸出波形圖影響的定性和定量分析等關(guān)鍵點(diǎn)，只有當(dāng)學(xué)生在仿真學(xué)習(xí)中帶著問(wèn)題把它弄清楚后，才能很好地對(duì)DCMachine進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.4閉環(huán)控制測(cè)試分析

在對(duì)DCMachine進(jìn)行了開環(huán)控制分析后，就可以搭建閉環(huán)控制模型了，這里的關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的理解、控制策略的分析。為了簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，是使用r比例控制，在實(shí)際的控制學(xué)習(xí)中，還可以增加控制策略.如PI、PD、P1D等等,這些在仿真模型中都可以讓學(xué)生自行簡(jiǎn)單修改模型和設(shè)置參數(shù)，思考修改參數(shù)后Scope輸出波形的變化情況，反復(fù)修改直到輸出滿足控制要求.，在這個(gè)過(guò)程中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考問(wèn)題解決問(wèn)題，學(xué)會(huì)思考如何把理想的數(shù)學(xué)模型，如典型PI傳遞函數(shù)讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何把控制器的輸出數(shù)值線性變化進(jìn)行控制具體的物理變量,的晶閘管觸發(fā)角a的變化：學(xué)生在應(yīng)用simulink調(diào)試的過(guò)程中，遇到某個(gè)物理量、某個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)等不太清楚時(shí),可以方便建立Scope示波器觀測(cè)其變化規(guī)律和具體數(shù)值,Scope、Scope2、Scope3都起到這個(gè)作用，給定值為100,比例P為15、以及使用飽和截?cái)鄐aturatim等，得出波形圖。

3.仿真結(jié)果與教學(xué)效果分析

本教學(xué)設(shè)汁的案例是在使用比例控制、負(fù)載為輕載等條件下得到仿真波形，從輸出的結(jié)果來(lái)看，符合控制要求當(dāng)然，這是可以讓學(xué)生修改simulink模型，使用其他控制策略、使用不同電機(jī)、修改不同負(fù)載如重載荷或者交變載荷等情況，也就是說(shuō)利用simulink的開放性多物理平臺(tái)建模仿真技術(shù),能讓學(xué)生思考問(wèn)題解決問(wèn)題中理解和掌握知識(shí)。本案例已經(jīng)在我校機(jī)電專業(yè)兩個(gè)班的教學(xué)中作了一下嘗試，學(xué)生反映效果不錯(cuò)，能夠起到串聯(lián)以前基礎(chǔ)課的重要知識(shí)點(diǎn)，能從系統(tǒng)的角度分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

4.結(jié)語(yǔ)

這個(gè)典塑的案例是由元器件及關(guān)鍵部件仿真一開環(huán)仿真一閉環(huán)仿真這條路線進(jìn)行組織分析的，串聯(lián)了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電力電子器件、AC_DC整流、電機(jī)機(jī)械特性及拖動(dòng)性能、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)中的控制策略等知識(shí)點(diǎn)，涉及到電氣方程、機(jī)械方程、控制函數(shù)等應(yīng)用，屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中一個(gè)重要的案例:該案例在使用simulink的建模中是開放性的設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生自行修改參數(shù)和模型，也可以讓學(xué)生很方便地搭建Scope，測(cè)試任何他想要觀測(cè)的環(huán)節(jié)參數(shù)，反復(fù)修改及觀測(cè)，直到控制滿足設(shè)定要求既使學(xué)生把基礎(chǔ)課程中學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)加強(qiáng)理解和系統(tǒng)鞏固起來(lái)，同時(shí)又鍛煉學(xué)生在遇到問(wèn)題時(shí)，思考問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。本案例是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革中一個(gè)小小的嘗試和探索,降低課程仿真教學(xué)成本，對(duì)matlab/simulink開放性、混合型的建模思想引入課程仿真教學(xué)起到一個(gè)拋磚引玉的作用。

覃金昌，王為慶(桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，廣西桂林541004)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的matlab在机电一体化的仿真图,基于simulink的机电一体化系统案例仿真教学研究的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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